实验技巧

别再互相纠缠了:化合物的分离与精制︱第五篇“有机合成实验技巧”(和理学系实验室网站联合推出)

本文来自Chem-Station日文版  もう別れよう:化合物を分離・精製する|第5回「有機合成実験テクニック」(リケラボコラボレーション)   webmaster

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

这次和理学系实验室网站的合作,我们会陆续推出十篇的“有机合成实验技巧”特集。

到这里为止,我们“有机合成实验技巧”系列已经陆续发表正好一半了,第五篇的题目是别再互相纠缠了:化合物的分离与精制,我们来给大家介绍有机化合物的分离与精制。

在有机合成化学实验中,哪些工作最耗时间呢?

有机合成化学实验包括设计反应,配制试剂,投料,停反应,反应跟踪,分离和精制目标化合物,检定产物等一连串的工作。乍一看或许你会觉得投料才是合成反应的重头戏。但是,如果最后要得到化合物,决速步(关键步骤)却是化合物的分离和精制

因为有机合成反应最终是要以论文形式发表的,所以通常需要纯净化合物数据,比如分离率和各种光谱数据等。所以,我们有各种各样的精制方法来把目标化合物和其他化合物分离,去除杂质。

用化学工学的力量来分离,做大量反应,提高产率!一鼓作气提纯吧!

以上这些虽说也是解决办法,可是。。。我们在实验室,反应当量也就那么大,产率自然就提高不到哪去,也别给自己灌鸡汤,能做到的话最好。

这篇文章中我将把以下四种你也许已经忘记的方法介绍给大家。(由于排版限制,本文不涵盖全部例子)

即使同样的分离精制方法也是有学问的

使用不同的分离精制方法

分离过程中杂质竟然发生了反应变成了不一样的分子

杂质怎么也分离不出来 

即使同样的分离精制方法也是有学问的

实验室最常用的分离精制方法就是硅胶柱色谱分离法吧。有关硅胶柱色谱分离的基本操作可以参看以前的文章(文章:重新认识一下硅胶柱

虽说用硅胶柱色谱分离也靠经验,有经验,技术好的人分离效果也好,但是除此之外还有一个很重要的因素就是硅胶颗粒的大小

因为硅胶能吸附带有极性官能团的分子,然后再洗脱下来。所以硅胶和待分离物质的接触面积越大越好。也就是说硅胶颗粒越小,硅胶的总表面积就越大,更容易和待分离物质接触。自然分离也就越容易。当你怎么也分离不了的时候,不妨试试用硅胶颗粒小一点的硅胶。

来举个例子吧!待分离物是下面两种物质的混合物。使用硅胶颗粒直径为25μm的硅胶柱时,可以从图谱中清晰地看到两种物质的峰并没有分开,说明分离效果不理想。同样的测试方法,但用的是硅胶颗粒直径为15μm的硅胶柱,可以从图谱中看到两种物质的峰分开了,说明分离效果很好。

 小直径的硅胶颗粒有助于分离

接下来我们来谈谈分离时的速度问题。梯度洗脱的时候如果洗脱速度太慢就会导致扩散,所以要尽可能以较快的速度洗脱。

过柱子的时候还是以手动为多吧,但是最近有个仪器叫中压分离精制装置,内置有支持高速的一次性柱子,柱子内有小直径的硅胶颗粒,不怎么需要人工动手就能分离纯化化合物。

同样也有使用硅胶薄层色谱PTLC来分离和精制化合物。如果已经做了UV,也还是要用TLC再确认下化合物分离的干不干净。我最喜欢的时刻就是从薄层硅胶板上把目标化合物的样点提取出来,然后洗脱得到纯净的化合物。

化合物难以分离的时候,推荐把分析用的TLC硅胶板切成一半做成“迷你板”来做层析。这样的“半块”能够分离精制10mg左右的化合物,如果连这样的层析板也无法分离,那估计TLC也无能为力了。并且,由于溶剂的展开速度很快,因此通过降低展开溶媒的极性,反复多次展开和干燥,目标化合物和副产物以及杂质会进一步分离。一般来说,只要层析板的硅胶可以应用于其他极性化合物,那么99%的化合物都可以用这个方法分离。

使用不同的分离精制方法

 粗产物的精制=用色谱法精制

上面这个说法并不准确。精制的时候,硅胶是有用的但不是万能的。举例来说如果是挥发性强的化合物,那就可以采用先减压浓缩,再水相萃取洗涤的方式,如果是固体化合物的话就可以直接试试重结晶,这虽然是学生实验用的老方法,但在这种情况下却格外有效。所以要根据目标化合物的特性来选择分离精制的方法

顺便说一句,在分离精制的老方法中,我最喜欢的情况就是杂质和目标产物中有一个是不溶物的时候。如果目的化合物是固体且难溶于溶剂,那么加入溶剂溶解粗产物,目标化合物就会沉淀,过滤后只要将不溶物洗干净就得到了目标化合物。还有另一种情况是目标产物溶于溶剂,那么过滤后将溶液减压浓缩后就得到了目标产物。这种分离方式也可以处理大量粗产物。但话说回来要想得到100%的纯产物,用这种方法很难办到,所以这种分离精制方法只是初步手段。

当老方法不管用的时候,就轮到GPC(凝胶渗透色谱)登场了。这也是学生实验中常用的方法,利用分子的大小来帮助分离精制化合物。

当然小分子分离也有相应的方法,遇到难分离的化合物时,用循环HPLC,它能分离一些单靠硅胶柱很难分离的化合物那你或许会问了,按照分子的大小来分离,如果待分离物质是由分子量相近的几种不同分子组成的呢?分离相近分子量的异种分子也有相应的分离方法。

我们来看看具体是怎么分离的吧。如下图所示的两种分子,分别为饱和硫醚和不饱和硫醚,如果用硅胶色谱柱分离开十分困难。虽然可以用分离E/Z异构体的银离子色谱分离,但是我们用GPC套用HPLC柱进行循环之后也能顺利分开。

 GPC分离

分离过程中杂质竟然发生了反应变成了不一样的分子

尝试了各种分离方法还是分离不开=狭义的分离

仔细想想你们很多时候当怎么也分离不出来的时候就会哀声叹气吧,但你们想过是不是自己的分离方法有局限性?你们分离除杂最终的目的是什么呢?是把目标产物干净的稳定的留到最后,那么,把不纯物质反应掉也是一种思路。如果你实在不清楚杂质和副产物的结构,保险起见还是加入和目标化合物不会发生反应(或者你认为不发生反应)的试剂。如果只能和目标化合物发生反应,那就会很容易将目标化合物分离出来。

肯定有人会想:这完全就是撞大运吧。但从我个人十分喜欢这种方法。我经常通过发生化学反应来提纯某些化合物,有过很多成功的经验,有的时候就算没有设计到也发生了反应,有时候会得到意想不到的化合物,可以让你获得一些新化合物,或是给新发应发现提供灵感也说不定呢。

我们来看看具体的例子吧。

杂质里有α,β-不饱和化合物:如果就加入了过量的二甲基胺就会和α,β-不饱和化合物发生迈克尔加成反应。极性发生了改变就可以较为容易地分离出来。

杂质只有酮:酮羰基会和NaBH4和TMCSN发生反应,酮被还原。极性发生了改变就可以较为容易地分离出来。

杂质只有仲胺:仲胺会和(Boc)2O发生反应。极性发生了改变就可以较为容易地分离出来。

 通过反应来分离化合物实例

以前的文章里还有关于怎么提纯醛或是通过反应来去除醛杂质的。(文章:怎么通过萃取分离乙醛杂质

一开始就不要让杂质或副产物产生

不要加一些不熟悉的反应试剂,不产生副产物就好了。

这恐怕是每个做新反应开发的研究人员梦寐以求的吧。把反应试剂都减少到催化量使得一些不必要的副产物尽量不产生就好了。说来容易做起来难,但如果真的可以的话效率就更高了,新反应也就是这样一个个被开发出来的吧。

比如,我们熟悉Wittig反应。最终会有三苯磷酸盐副产物。要想除掉要费好大一番力气。反应结束后你不仅会得到产物还有和产物几乎等量的杂质。因此有许多文献尝试将三苯磷酸盐降低到催化剂量。详情请看以下的文献。

Lao, Z.; Toy, P. H. Catalytic Wittig and Aza-Wittig Reactions. Beilstein J. Org. Chem. 2016, 12, 2577–2587. DOI: 10.3762/bjoc.12.253

Longwitz, L.; Werner, T. Recent Advances in Catalytic Wittig-Type Reactions Based on P(III)/P(v) Redox Cycling. Pure Appl. Chem. 2019,  91,  95–102. DOI: 10.1515/pac-2018-0920

不仅如此,近年来有报道加入氯化锌来去除杂质(三苯磷酸盐)的方法,此方法还可以用于实践。在加入了生成物和三苯磷酸盐的溶液中,加入乙醇和氯化锌,氯化锌和三苯磷酸盐发生反应,反应产物以固体形式析出之后过滤即可。

 来自参考文献

Batesky, D. C.; Goldfogel, M. J.; Weix, D. J. Removal of Triphenylphosphine Oxide by Precipitation with Zinc Chloride in Polar Solvents. J. Org. Chem. 2017, 82, 9931–9936. DOI:10.1021/acs.joc.7b00459

同样,对于Mitsunobu反应我们同样也需要考虑生成量非常大的副产物。除了生成上述的三苯磷酸盐之外,还产生了偶氮羧酸二乙酯(DEAD)的还原体。虽然这是个好反应,但是产物分离提纯着实让人头疼。研究人员也一直尝试减少这两种催化剂用量,不过最近,有发表了产率不错的催化反应。两种试剂的用量都做了相应的减少。详情请见下面的论文。

来自参考文献

Beddoe, R. H.; Andrews, K. G.; Magné, V.; Cuthbertson, J. D.; Saska, J.; Shannon-Little, A. L.; Shanahan, S. E.; Sneddon, H. F.; Denton, R. M. Redox-Neutral Organocatalytic Mitsunobu Reactions. Science 2019, 365, 910–914. DOI: 10.1126/science.aax3353

总结

分离和精制是需要技巧的。但前提是你要清楚化合物的性质。可以说这是跟杂质说再见的最好“方法”。

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